鐵基超導體登上Nature Materials！

一、【科學背景】

超導體有極高的無耗散電流密度J_c，因此引起科研界廣泛的興趣。在超導體中，超導電流由電子對承載，如果電流超過去耦電流密度J_d，電子對就會分開，這就是J_c的最終極限。在基礎研究和超導應用研究中，最大的挑戰之一是確定達到這一最大值需要哪些結構和化學特性。臨界電流可能會受到渦流運動所引發的耗散的嚴重限制。因此，大多數提高J_c的研究工作都集中在增加材料缺陷上，從而造成自由能的空間不均勻性，從而為渦旋定位提供優先位置，以降低其核心能量。鐵基1111型超導體具有較高的臨界溫度和相對較高的臨界電流密度J_c。然而，根據理論預測，通過引入缺陷來控制耗散渦流運動的方法經過優化后，最大J_c只能達到J_d的30%，而J_d取決于相干長度和穿透深度。

二、【創新成果】

基于此，日本成蹊大學Masashi Miura教授團隊在Nature Materials發表了題為“Quadrupling the depairing current density in the iron-based superconductor SmFeAsO_1–xH_x”的論文，報道了通過一種創新的熱力學方法，顯著提高了SmFeAsO_1-xH_x薄膜中的J_c。具體地，通過高電子摻雜（使用H替代）來增加載流子密度，從而減少穿透深度、相干長度和臨界場各向異性。結果表明，通過這種方法，實現了四倍于常規值的J_c，達到了415MA cm^-2，這與銅氧化物超導體相當。最后，通過使用質子輻照引入缺陷，在高達25T的場中獲得了高J_c值。此外，這一策略已被成功應用于其他鐵基超導體，并實現了類似的電流密度增強。

研究人員首先通過脈沖激光沉積在MgO基底上生長了50 nm厚的未摻雜SmFeAsO薄膜，然后通過與CaH₂粉末的拓撲化學反應進行氫摻雜，隨后對部分樣品進行了質子輻照以引入人工納米缺陷。使用STEM和EDS分析了原始和輻照SmAsFeO_0.632H_0.368薄膜的微觀結構，并測量了相關物理量。

圖1 ?載流子密度調整后超導體相圖的演化 ? 2024 Springer Nature

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圖2 ?T_c和J_d的載流子密度依賴性 ? 2024 Springer Nature

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圖3 ?在MgO上外延生長SmFeAsO_1–xH_x薄膜的微觀結構 ? 2024 Springer Nature

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圖4 ?物理量與電子摻雜的關系 ? 2024 Springer Nature

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圖5 ?原始和輻照SmFeAsO_0.632H_0.368樣品的場內超導性能 ? 2024 Springer Nature

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圖6 ?調整各種超導參數后，S和J_c與J_d的相關關系 ? 2024 Springer Nature

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三、【科學啟迪】

綜上，研究人員采用了一種組合方法，通過調控載流子密度來控制λ和ξ從而調諧J_d，并通過輻照來增強磁通釘扎，大幅提高了SmFeAsO_1-xH_x薄膜中的J_c。制備的薄膜顯示出鐵基超導體中非常高的場內J_c值。就Y123而言，據報道在3 T磁場中的J_d值為15%，而在自磁場中的J_d值為32.4%，接近堆芯釘扎可實現的預測最大值。因此，本研究取得的415 MA cm^-2的顯著高J_d為SmFeAsO_1-xH_x薄膜中的J_c設定了新的上限。本研究的方法還降低了有效質量各向異性γ和Gi，從而減緩了渦旋蠕變。本研究證明了這種組合方法可以有效地改善不同系列超導體的性能，包括摻空穴的銅氧化物（Y123）和鐵基超導體。

原文詳情：Quadrupling the depairing current density in the iron-based superconductor SmFeAsO_1–xH_x (Nat. Mater. 2024, DOI: 10.1038/s41563-024-01952-7)

本文由大兵哥供稿。